Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Кафедра конструирования горных машин
и технологии машиностроения
Определение физико-механических
характеристик материалов
Методические указания к лабораторным работам
для студентов специальностей
130400, 131000, 150100, 150700, 151000
Санкт-Петербург
2012
УДК 620.22:622.002.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ: Методические указания к лабораторным работам. / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Сост.: В.И. Болобов, В.С. Бочков. СПб, 2012, 15 стр.
Рассмотрены вопросы определения прочностных и пластических свойств металлов методом одноосного растяжения образцов до разрыва, а так же ударной вязкости металлических материалов методом ударного изгиба образцов. Приводится краткая характеристика основных прочностных и пластических свойств металлов. Анализируется вид диаграмм растяжения и зависимостей ударной вязкости от температуры испытаний для хладноломких и хладостойких материалов. Содержатся сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение».
Методические указания предназначены для студентов специальностей 130400 «Горные машины и оборудование», 131000 «Сооружение и ремонт объектов трубопроводного транспорта», «Проектирование, сооружение и эксплуатация морских трубопроводов», 150100 «Материаловедение и технологии новых материалов», 150700 «Оборудование и технология сварочного производства», «Технологии, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», 151000 «Оборудование нефтегазопереработки».
Ил. 6.
Научный редактор доц. А.П.Баталов
ã Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2012 г.
Лабораторная работа №1 «Определение физико-механических характеристик материалов при растяжении образцов до разрыва» Введение
Цель работы:
– получение навыков в определении основных физико-механических характеристик материалов,
– на примере разрывной машины фирмы Zwick/Roell ознакомление с устройством и работой современного испытательного оборудования.
Все детали машин в процессе эксплуатации подвергаются воздействию внешних нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, вследствие чего они деформируются.
Деформация - это изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Напряжение - это отношение усилия, приложенного к конструкции, к площади ее сечения. Обозначается буквой σ (сигма) и выражается в МПа или кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 10 МПа).
Если нагрузки небольшие, то после прекращения их действия деталь принимает свою первоначальную форму - деформация исчезает.
Свойство материалов принимать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой.
Если к детали приложить большие усилия, то после прекращения их действия деталь не примет своей первоначальной формы, а останется деформированной.
Способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности называется пластичностью, а деформация, остающаяся после снятия нагрузки, называется пластической (остаточной).
Материалы с ярко выраженными пластическими свойствами - это пластилин, глина, из металлов - медь, алюминий.
Материалы не способные к пластической деформации называются хрупкими. Это стекло, камень, чугун, закаленная сталь.
Заключительная стадия деформирования материалов - это разрушение, т. е. разделения твердого тела на части. Различают хрупкое и вязкое (пластичное) разрушение.
Хрупкому разрушению предшествует только упругая деформация, вследствие чего для разрушения не требуется большой работы.
Вязкому - предшествует значительная пластическая деформация и на его свершение затрачивается большая работа.
В металлах могут иметь место оба вида разрушения и их комбинации, когда одна часть сечения образца разрушается вязко, а другая - хрупко.
Для сохранения работоспособности в условиях эксплуатации материалы конструкций должны обладать определенными физико-механическими свойствами, т.е. свойствами проявляемыми при воздействии на материал внешних нагрузок. Одним из наиболее информативных методов, используемых для определения физико-механических свойств материалов, является метод растяжения образцов до разрыва.
1. Описание метода
Машина растяжения Zwick / Roell Z100 с максимальным усилием в 100 кН (рис. 1.1) предназначена для определения физико-механических свойств металлических и неметаллических материалов.
Цилиндрические (или плоские) образцы из металлического материала ГОСТ 1497-84 с длиной рабочей части 10 и начальной площадью сечения F0 с утолщениями и резьбой на концах (рис.1.2) закрепляют в захватах 7 разрывной машины и подвергают растяжению с записью прилагаемого усилия Р.
По результатам испытаний строят зависимость Р (Н) от абсолютного удлинения образца ∆1 = 1i - 10 (мм), где 1i - длина образца в i момент времени. Для получения результатов, применимых к конструкциям другого сечения, зависимость преобразуют в диаграмму в координатах σ - ε, где σ = Р/F0 – условное напряжение в сечении образца, ε = (1i - 10)/10 х 100% - относительная деформация
Рис. 1.1. Общий вид машины растяжения Zwick / Roell Z100: 1 – две нагружающие рамы; 2 - подвижная траверса, приводимая в движение приводом 3 вида «винт-гайка», 4 - редукторы; 5 электродвигатель; 6 - неподвижная траверса; 7 - захваты для закрепления испытуемого образца 8; 9- датчик силы; 10 - блок управления машиной; 11 - системный блок компьютера со специализированным программным обеспечением обработки полученных данных.
Рис.1.2. Образец для испытаний на растяжение
Для ряда металлов, например, мало – и среднеуглеродистых сталей, способных подвергаться пластической деформации, диаграмма растяжения имеет вид рис. 1.3, а.
Рис. 1.3. Диаграммы растяжений материалов:
а — с площадкой текучести; б — без площадки текучести
Диаграмма состоит из 3-х участков: упругой деформации ОА, равномерной пластической деформации АС с площадкой текучести в точке В и сосредоточенной деформации шейки образца СD. Точка D соответствует напряжению, при котором происходит разрыв образца в месте шейки.
Участок ОА имеет прямолинейный вид и выражает закон Гука: относительная деформация получаемая образцом пропорциональна прилагаемому напряжению
ε = Е σ
Коэффициент пропорциональности Е = σ/ε называется модулем нормальной упругости или модулем Юнга и характеризует жесткость материала. Соответственно, жесткость - это способность материала сопротивляться упругой деформации. Наименее жестким материалом является резина Е = 0,07 ГПа, наиболее жестким — алмаз Е = 1200 ГПа, для сталей Е ~ 200 ГПа.
Точка А (рис. 1.3), а соответствует пределу упругости σe - максимальному напряжению, до которого металл сохраняет свои упругие свойства.
Прочность - это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению.
Прочность характеризуют 2 параметра:
- предел текучести σТ - напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»)(точка В рис. 1.3, а). Характеризует сопротивление металла пластической деформации;
- условный предел прочности σВ (по старой терминологии временное сопротивление) — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца σВ = Рmax / F0 (точка С рис. 1.3, а). Характеризует сопротивление материала разрушению.
У ряда материалов, например высокоуглеродистых и легированных сталей, на диаграмме нет площадки текучести (рис. 1.3, б) и для них определяют условный предел текучести σ0,2 - напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной длины 10.
Значения σТ (σ0,2) металлических материалов существенно разнятся и составляют, например, 120 МПа для технического железа, 250 МПа для углеродистой стали типа Ст.3 и 1600 МПа для высокопрочной стали.
Из этих же испытаний на растяжение определяют и показатели пластичности материала:
- относительное удлинение δ = [(l К - l0) / l0] 100%;
- относительное сужение ψ = [(F0 - F К) / F0] 100%.
Для их получения обе половинки разорванного образца совмещают и измеряют конечную длину рабочей части 1К, а также диаметр образца dК в месте разрыва. По последнему считают FК - конечную площадь сечения.
Чем больше δ и ψ, тем более пластичен металл.